L’énergie éolienne, histoire et fonctionnement


I. Historique

a) Les débuts :          

- l’utilisation du vent

Il y a bien longtemps que les hommes ont inventés des moyens pour exploiter les vents. On a trouver chez les Perses, des roues à aubes que le vent faisait tourner, datant du VIIe siècle. Les premiers moulins a vents en Europe apparaissent dans le courant du XIIIe siècle avec le retour des Croisés, qui les ramèneront de leurs voyages en Orient. Ces étranges machines tournantes permettaient de remplacer les animaux et fut même un instrument de libération pour certains paysans, car les seigneurs taxaient l’utilisation des rivières qui coulaient sur leur terres.

Outre que le meulage du grain et l’irrigation des terres agricoles, les moulins a vents construits entre le XVe et le XIXe siècle étaient adaptés à un grand nombre de tâches, allant du pompage de l’eau de mer, au sciage du bois, en passant par la fabrication du papier et de l’huile ou encore le meulage de différent matériaux. Au XIXe siècle, les Hollandais, comme les britanniques avaient déjà construit plusieurs milliers de moulins a vent.

Les turbines éoliennes

En 1890, les premières éoliennes produisant de l’électricité sont construites au Danemark. De petits générateurs à turbine éolienne fournissent l’électricité aux petites communautés rurales jusque dans les années 1930, alors que les lignes électriques commençaient a sillonner le pays. On abandonne alors les éoliennes à axe vertical qui ont un rendement inferieur aux éoliennes a axes horizontales. De grandes turbines éoliennes furent également construites à cette époque.

Ces éoliennes resteront cependant au stade de prototypes car elles ne parviennent pas à concurrencer économiquement les combustibles fossiles tel le charbon ou le pétrole, durant la révolution industrielle.

b) Depuis la crise énergétique de 1873 jusqu’à la fin de la « wind rush » californienne.

En Octobre 1973 se produit un événement majeur dans l’histoire de l’énergie éolienne, mais aussi pour l’ensemble du secteur des sources d’énergie renouvelables.

En représailles au déclenchement de la guerre du Yom Kippour, les pays arabes exportateurs de pétrole décident de réduire considérablement leurs exportations. Les cours de l’or noir atteignent rapidement des sommets. L’Europe et les Etats-Unis réagissent et lancent des programmes de développement de l’énergie renouvelable. Ce sont alors les américains qui dominent la recherche.

Ce sont les colons espagnoles qui introduisent les premiers moulins à vent dans le nouveau monde au XVIe siècle. En 1974, un plan d’action étalée sur 5 ans se focalisent essentiellement sur la recherche et le développement  de prototypes de générateurs éoliens de grandes puissances. De grandes firmes appartenant à la puissante industrie aéronautique américaine (tels que Boeing, Lockheed, Grumman, …) vont se charger du développement de ces prototypes.

La première réalisation du programme fut le financement et la construction d’une éolienne ’un diamètre de 100 pieds ( 3m30) et d’une puissance de 100kW. Ce projet plutôt modeste, intitulé Mod-0, sera le premier pas d’un ambitieux programme.

Mais malgré les sommes importantes investies, le programme est un échec. Les coûts élevés et les problèmes techniques vont avoir raison du programme et vont inciter les groupes aéronautiques à déserter le secteur de l’énergie éolienne.

En 1981, l’état californien décide de soutenir la production d’électricité à partir d’énergie éolienne. Le programme californien est basé sur des exonérations de taxes en échange d’investissements privés dans la mise en place d’éoliennes.

Très rapidement apparaît le phénomène qui va être appelé « Wind Rush ».

En 4 ans, le nombre d’éoliennes passe de 144 à 4687 ( produisant de 7MW à 386MW). Des milliers d’éoliennes vont donc pousser comme des champignons, mais avec très peu d’études sérieuses quant aux des sites où elles sont installées alors que leur production d’électricité dépend avant tous des caractéristiques du vent. Une proportion importante de ces éoliennes produira donc peu, voir pas du tout d’électricité.

Suite à ce constat, les autorités californiennes diminuent fortement les avantages fiscaux en 1986. Avec pour conséquence l’arrêt brusque de toute nouvelle installation d’éoliennes.

Avec le recul on peut considérer que l’expérience californienne a eu des aspects positifs et négatifs pour le développement ultérieur de l’énergie éolienne :

- Le programme fédéral américain et la « wind rush » va constituer un échec retentissant, qui va durablement discréditer l’énergie éolienne aux yeux des responsables politiques américains.

- La « wind rush » représente le premier grand marché de l’éolienne et a permis le développement de machines plus puissantes : passée de 49kW en 1981 à 78kW en 1985.

- Pendant ce temps en Europe :

Durant cette même période, mais à plus petite échelle, apparaissent aussi en Europe des programmes nationaux visant à produire de l’électricité à partir du vent. Chaque pays investissent dans des objectifs différents : production, puissance, coûts. Les danois ont pour objectif l’analyse des données fournies par l’éolienne de Gedser, qui devint le modèle de référence pour les éoliennes d’aujourd’hui. Mais aucun projet n’arrive à bout.

Stimulé par le marché américain, certaines petites entreprises agricoles se convertissent en producteur d’éoliennes. Ces firmes misent plus sur des éoliennes de plus petite taille privilégiant la fiabilité et la rentabilité que sur des machines géantes développées par les gouvernements.

Les danois vont alors excellés dans ce domaine, et près de 60% des éoliennes californiennes sont importés d’Europe.

c) Aujourd’hui

Dans les années 90, l’Allemagne devient la première puissance éolienne au monde. Et contribue à relancer un marché qui, depuis lors, a connu un développement spectaculaire et ininterrompu. Le rythme de ce développement  n’a cessé de s’accélérer, dépassant souvent les prévision optimistes des spécialistes du secteur.

L’European Wind Energy Association (EWEA), association européenne engagée dans la promotion de l’énergie éolienne en Europe avait fixé comme objectif en 1991, l’installation de 4000MW à l’aube de k’an 2000. L’installation totale d’énergie en Europe à la fin de l’année 1999 est de 8915MW !

L’Europe s’est adjugée la plus grande part de développement, tandis que les Etats-Unis atteignent le 2e rang mondial derrière l’Allemagne.

Une étude de l ‘EWEA estime qu’à lui seul, le secteur de l’énergie éolienne pourrait créer entre 190 000 et 320 000 emplois d’ici 2010, si la capacité installée en Europe atteint 40GW (40 000MW). Ce chiffre est l’objectif que s’est fixé la commission européenne dans son plan d’action pour les énergies renouvelables.

Aujourd’hui, l’Allemagne compte 4444MW installés, les Etats-Unis 2492, le Danemark 1700, l’Espagne 1180 et les Pays-Bas 409. Enfin le Royaume-Uni disposant du potentiel européen le plus important d’Europe, ne compte seulement que 343MW d’énergie éolienne, devant la France (3e potentiel) avec … 19MW installés.

Ces chiffres correspondent à la mise en place de différents instruments nationaux visant à favoriser la production d’électricité à partir des sources d’énergies renouvelable.

Ainsi l’histoire de l’énergie éolienne a pour une grande partie été influencée âr des facteurs extérieurs, tels l’apparition de la machine à vapeur, la distribution généralisé d’électricité, la crise énergétique de 1973. Enfin plus récemment, les accords de Kyoto devraient être le moteur principal du développement des éoliennes.

II. Le vent au service de l’énergie : la puissance théorique.

A l’origine, l’énergie éolienne provient du soleil. Le flux de rayonnement solaire échauffe inégalement les masses d’air de l’atmosphère, provoquant ainsi des mouvements de masse d’air entre les zones de températures (donc de pression) différentes. Environ 2% de l’énergie solaire (3,2 x 1024 Joules / an) est transformé en énergie cinétique des vents. De cette énergie, 35% est dissipée dans une couche de 1km au-dessus du sol. Si on utilisait seulement 10% de cette énergie éolienne par an, cela correspondrait à :

Eeolienne = 3,2 x 1024 x 0,02 x 0,35 x 0,1 = 2,24 x 1021 Joules / an

Soit 7 fois la consommation mondiale d’électricité ! ! !

Les éoliennes tournent grâce à la masse d’air qui les traversent et un m3 d’air pèse 1,225kg. Pour une surface de un m2 et un vent d’1 m/s, le débit est de 1m3/s, soit 1,225kg par seconde.

Remarque :

Les masses en mouvements possèdent une énergie cinétique : Ec = ½ mV2. Ainsi, une masse de 1kg lancée à 1 m/s possède une énergie cinétique de Ec = ½ mV2 = 0,5J.

(Il faut 4186 J pour augmenter de 1°C un kg d’eau). La puissance qui s’exprime en Watt est alors : 1 J / s = 1 W

Une surface de 1m2 traversée par un vent de 10 m/s, est traversée par 10 m3 soit 12,25kg. Son énergie cinétique est :

½ m V2           = ½ V2 x 1,225 x V

                        = 0,6125 x V3             = 612,5 J par seconde, soit 612,5 W.

La puissance est donc au cube de la vitesse (et directement proportionnelle à la surface) !       =>       P = 0,6125 V3 = ½ (pr2) V3

Toutefois toute l’énergie ne peut être captée. La vitesse du vent n’est pas nulle après son passage dans l’éolienne ! La loi de Bertz défini le maximum capable, soit :

Pmax = 16/27 Peffectif

Pmax = 0,363 V3

La puissance pratique d’une éolienne est inférieure à sa puissance maximale. Ceci est dû au rendement propre de chaque étape de conversion d’énergie : Hélice (85%), multiplicateur (95%), générateur (98%), redresseur, stockage, distribution…

On considère le rendement entre 50 – 55% (0,25V3) pour une éolienne industrielle et 40 – 25% (0,15V3) pour une éolienne artisanale.

III. Avantages et inconvénients : Une énergie d’avenir ?

Les inconvénients :

Les principaux arguments qui vont à l’encontre de l’installation d’éoliennes sont le bruit et l’esthétique.

L’implantation des éoliennes entraîne des installations de grandes dimensions, construites pour plusieurs décennies (il faut entre 7 et 12ans pour rentabiliser le projet).D’autant plus que les éoliennes doivent être exposées au vent, sur un point haut du territoire, c'est-à-dire visible de loin. La beauté ou la laideur d’une éolienne reste un avis très personnel, les partisans des deux théories sont aussi nombreux. Toutefois la proximité d’une éolienne n’ôte rien à la valeur d’un patrimoine immobilier.

Le bruit en revanche est devenu un faux problème. Désormais les éoliennes sont munies de caissons insonorisés. De plus, à partir d’un certaine force, le vent fait plus de bruit que l’éolienne elle-même. (45 DBA à 32km/h)


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